새우 눈의 설계

반사 나노기술은 새로운 광학 코팅에 영감을 주고 있다

저자: Jonathan Sarfati
번역자: 한국창조과학회 (creation.kr)

보잘것없는 새우(shrimp)는 매우 낮은 조도의 해저에 산다. 하지만 그들은 매우 잘 볼 수 있다. 이제 이스라엘 바이츠만 과학연구소(Weizmann Institute of Science)와 벤구리온 대학(Ben-Gurion University)의 과학자들은 새우가 매우 낮은 조도에서도 볼 수 있게 해주는 놀라운 미세 조정을 발견했다.¹

바닷가재, 새우, 가재와 같은 십각목 갑각류(Decapod crustaceans)는 우리와 매우 다른 눈을 갖고 있다. 우리의 눈은 렌즈를 사용해 빛을 굴절(refraction, bending)시켜 초점을 맞추지만, 십각목은 거울을 사용하여 한 초점으로 빛을 반사시킨다.² 새우의 눈 거울은 그 자체가 경이롭도록 복잡한 디자인으로, 광결정(photonic crystals)들을 갖고 있는데, 이것은 나노구조로 되어있어서, 파장 수준에서 빛을 조절할 수 있다.

층들로 이루어진 속이 빈 작은 구

연구자들은 전자현미경으로 흰다리새우(whiteleg shrimp, Litopenaeus vannamei)의 눈을 분석했다. 그들은 거울(tapetum, 휘판)이 가시광선의 파장보다도 작은 평균 직경 330nm의 나노구(nanospheres)들로 배열되어 있다는 것을 보여주었다. 이 구들은 규칙적으로 배열되어, 광수용체(감간, rhabdoms)의 바닥 부분의 반을 감싸고 있다.

더군다가 구(spheres)들은 8~10개 동심원의 얇은 층들(총 두께 70nm)로 이루어져 있으며, 이 층들은 속이 빈 중심 부분은 둘러싸고 있는데, 중심 부분은 수양성 물질(watery substance)로 채워져 있었다. 층들은 이소크산토프테린(isoxanthopterin)의 단일 결정판(single crystal plates)으로 구성되어 있으며, 이것은 특별한 성장을 필요로 하는데, 왜냐하면 이 물질이 프리즘으로 분광되는 결정을 형성하기 때문이다. 구들은 복굴절(birefringence, 이중 굴절)이라고 불리는 성질을 갖고 있는데, 굴절률로 나타나는 구부러짐의 양은 방향에 따라 달라진다. 구의 반지름을 따라 굴절률은 1.4로 물보다 그리 크지 않다. 그러나 둘레를 따르면 이 지수는 “생물학적 물질 중 가장 높은 굴절률 중 하나”인 1.96이다.¹

최적의 설계

Used by permission from Rights Link

나노구의 모든 것들은 빛을 반사하는데 이상적이며, 새우 눈은 이에 필요한 모든 것을 갖고 있음이 밝혀졌다. 연구자들은 반사율을 비교하기 위해, 다른 가능한 배열에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했다. 구의 크기는 층의 두께가 최적의 두께를 갖고 있다는 것을 의미했다. 구체의 껍집 두께도 최적이었는데, 같은 크기와 구성을 가진 고체 구들에 비해 속이 비어 있었기 때문이었다. 또한 복굴절은 등방성의 구보다 더 나은 반사체를 만들었다. 즉, 모든 방향에서 동일한 굴절률을 갖는 것이다.

더군다나 그것들은 70m 깊이에 이르는 새우의 서식지까지 유일하게 침투하는 푸른 빛에 최적화되어 있었다. 이 구조는 빛이 광수용체로 보내질 때까지 반복적으로 반사된다는 것을 의미했다.

이스라엘 연구자들은 다음과 같이 결론을 내렸다.

크기, 코어/껍질 비율, 입자 포장은 강도와 스펙트럼 특성 측면에서, 내면층 반사체의 후방 산란을 최대화하도록 최적화되어 있다.¹

사람은 이러한 것을 결코 만들지 못한다.

연구자들은 복굴절 블록을 구성하는 탁월한 광결정체의 광학에 대한 이론적 연구가 있었다고 쓰고 있었다. 하지만 그것들을 적절히 배열시킬 방법이 없었기 때문에, 실제로 만들어지지는 않았다. 다만 연구자들은 구형의 복굴절식 빌딩 블록을 사용하는 새우의 ‘천재적’ 해결책을 보면서, 그것들을 어떻게 정렬시킬지를 걱정할 필요가 없게 되었다. 그래서:

새우는 이전의 인공적인 합성에서 탐구되지 않았던 광학적 특성을 보이는, 자연적 광학 시스템의 독특한 예를 나타낸다.¹

진화적 우연 대 현실에서는 생체모방

논문은 사실과 관계 없이 진화에 대한 경의를 표하고 있었다.

장구한 시간 동안의 진화를 통해, 새우는 그들의 환경인 해저에서도 잘 볼 수 있는 독특한 모양의 눈을 발달시켰다.³

늘 그렇듯, 이러한 구조가 존재하기 때문에, 그것은 진화했다는 것이다. (그리고 증거들과 상관없이, 지적설계는 비과학이기 때문에 배제시킨다).⁴ 그들은 어떻게 이러한 초정밀 구조가 일련의 작은 단계들에 의해서 점진적으로 진화될 수 있었는지 설명하지 못한다.

그러나 연구자들은 다음과 같은 결론을 내렸다.

이 시스템은 구형의 대칭 복굴절 입자들로 구성되는 광결정들, 초박막 반사체, 비-무지개색의 안료 설계에 영감을 주고 있다.¹

그들은 진화론을 철저히 믿고 있지만, 이러한 구조는 설계된 것임을 인정해야만 한다. 사람만이 설계를 통해 복잡한 구조를 만들어낼 수 있다. 공학자들이 새우의 눈을 보지 못했다면, 그러한 생각을 하지 못했을 것이다. 만약 그것을 복제하는 데에도 엄청난 천재성이 필요하다면, 원본을 만드는 데 얼마나 많은 지혜가 필요했을까?